Перетворювач опір - тривалість імпульсу (стр. 2 из 5)
- напруга зсуву Uсм - значення напруги, яка необхідна подати на вхід ОУ, щоб на виході напруга була рівна нулю. Операційний підсилювач реалізується у вигляді мікросхеми із значним числом транзисторів, характеристики яких мають розкид по параметрах, що приводить до появи постійної напруги на виході у відсутність сигналу на вході. Параметр Uсм допомагає розробникам розраховувати схеми пристроїв підбирати номінали компенсаційних резисторів;
- вхідні струми Iвх - струми, що протікають через вхідні контакти ОП. Ці струми обумовлені базовими струмами вхідних біполярних транзисторів і струмами витоки затворів для ОП з польовими транзисторами на вході. Вхідні струми проходячи через внутрішній опір джерела сигналу, створюють падіння напруг, які можуть викликати появу напруг на виході в відсутність сигналу на вході;
- різниця вхідних струмів . Вхідні струми можуть відрізнятися одне від одного на 10.20%. Знаючи різницю вхідних струмів, можна легко підібрати номінал резистора балансування;
- максимальна вхідна напруга Uвх - напруга, що прикладається між вхідними контактами ОП, перевищення якого веде до виходу параметрів за встановлені межі або руйнуванню приладу. В таблицях приводяться значення, в зарубіжній літературі - абсолютні значення діапазону;
- максимальна синфазное вхідна напруга Uвх.сф - найбільше значення напруги, що прикладається одночасно до обох вхідних виводів ОП щодо нульового потенціалу, перевищення якого порушує працездатність приладу. У вітчизняній документації приводять модуль величини Uвх.сф, а в зарубіжній – діапазон;
- коефіцієнт ослаблення синфазного сигналу Кос.сф - відношення коефіцієнта посилення напруги, прикладеної між входами ОП, до коефіцієнту посилення загального для обох входів напруги.
- вихідний струм - максимальне значення вихідного струму ОП, при якому гарантується працездатність приладу. Це значення визначає мінімальний опір навантаження. Дуже важливо при розрахунку комплексного опори навантаження враховувати, що при перехідних процесах включення (виключення) ОП значення або індуктивної складової місткості опори навантаження різко змінюються, і при неправильному підборі навантаження схема може вийти з ладу. Часто замість значення Iвых в документації приводять мінімальне значення опір навантаження Rн.мин. Велика частина ОП, розроблених в останній час, має каскад, що обмежує величину вхідного струму при раптовому замиканні вихідного контакту на шину джерела живлення або нульовий потенціал. Граничний вихідний струм при цьому - струм короткого замикання Iк.з. рівний 25 мА.
Розроблений пристрій призначений для перетворення опору в інтервал часу і може використовуватись при побудові омметрів та вимірювальних пристроїв з резистивними первинними перетворювачами.
Згідно ДСТУ 2681-94 „Метрологія. Терміни та визначення” та ДСТУ 2682-94 „ Метрологія. Метрологічне забезпечення ” даний перетворювач опір – тривалість імпульсу відноситься до вторинних вимірювальних перетворювачів.
2 Розробка структурної схеми перетворювача
2.1 Вибір загальної структури
Існують мостові і імпульсні структурні схеми перетворювачів. Вибираємо імпульсну схему, яка приведена на рисунку 1.
Рисунок 1 - Структурна схема перетворювача опір – тривалість імпульсу.
Згідно технічного завдання (ТЗ), необхідно розробити перетворювач величини опору в пропорційну тривалість імпульсу. Перетворення здійснюється за допомогою метода широтно – імпульсної модуляції (ШІМ).
Вихідний сигнал перетворювача являє собою імпульс, тривалість якого залежить від величини опору. Причому, чим менша величина опору, тим менша тривалість імпульсу. Амплітуда вихідного сигналу має складати U = 30 В на опорі навантаження Rн = 10 Ом. Забезпечити такі параметри при дуже малій тривалості імпульсу досить складно, тому приймаємо мінімальну тривалість імпульсу
. У відповідності до ТЗ частота модуляції 
, тобто період дорівнює 
. Тоді відношення максимальної тривалості імпульсу до мінімальної складає
, (1) 
, 
.Діапазон перетворюваних опорів складає від 1 Ом до 1МОм. Відхилення
крайніх значень дорівнює
, (2) 
, 
.Звідки слідує, що необхідно розбити діапазони перетворюваних опорів на під діапазони. Кількість під діапазонів визначимо, використовуючи вираз
, (3) 
,де
, 
.Крайнє значення величин опору по під діапазонам складе :
- для першого піддіапазона 1 Ом – 100 Ом;
- для другого піддіапазона 100 Ом – 10 000 Ом;
- для третього піддіапазона
.Як бачимо, навіть для під діапазонів відхилення крайніх значень складає 100. Тому скористаємось проміжним перетворенням величини опору в пропорційну напругу за допомогою метода фіксованого струму
. Метод реалізується на основі операційного підсилювача (ОП) та опорного джерела. 
, тоді для третього піддіапазону фіксований струм дорівнює 
, (4) 
.Для другого піддіапазону
, (5) 
.Для третього піддіапазону
, (6) 
.Струм першого піддіапазону для виключення перевантаження по струму елементів зменшимо до величини
та включимо на вході ОП польовий транзистор. Крім того, для забезпечення необхідного розмаху напруги і виключення впливу наступних кіл на результат перетворення введемо на основі неінвертуючого підсилювач з коефіцієнтом передачі К = 10. Причому, на другому і третьому під діапазонах коефіцієнт передачі має дорівнювати К = 1. В якості підсилювача виберемо ОП типу LF253 з польовим транзистором на вході. Опорне джерело реалізуємо за допомогою стабілітрона типу КС133Г. Польовий транзистор вибираємо з ізольованим затвором типу IRLML6302.2.2 Попередній розрахунок компаратора
Перетворення напруги Ux, що пропорційна опору Rx, здійснється за допомогою порівнювального пристрою – компаратора напруги. На один вхід компаратора поступає перетворювана напруга Ux, а на другий – пиловидна напруга. В момент збігу миттєвого значення пиловидної напруги з величиною напруги Ux, змінюється вихідний стан компаратора, який зберігається до закінчення пиловидної напруги. З цього слідує, що на виході компаратора формується імпульс, що пропорційний напрузі Ux, і, відповідно, значенню опору Rx. Мінімальна тривалість імпульсу на виході компаратора для чіткої її фіксації має бути не менше 1 мкс. Тому вибираємо компаратор типу LM219, що має час включення і час виключення, що не перевищує 0,08 мкс. Інші параметри компаратора приведені нижче.
Напруга Ux, що пропорційна Rx, змінюється від 0 до 10 В, тоді амплітуда пиловидної напруги теж має змінюватись від 0 до 10 В. Період повторення складає Т = 100 мкс, тобто швидкість наростання вихідного сигналу складе 0,1 В/мкс. Формування пиловидної напруги здійсним за допомогою генератора на основі інтегратора з періодичним шунтуванням ключових елементів конденсатора час заданого кола. Інтегратор реалізується на ОП типу LF253, який забезпечує швидкість вихідного сигналу не менше 12 В/мкс. З метою зменшення похибки, що обумовлена струмом витоку ключа, в якості ключа вибираємо польовий транзистор з ізольованим затвором (без захисних діодів) типу КП305Д. Для керуванням польовим транзистором застосуємо одно вібратор, що виконаний на компараторі LM219. Це дозволяє скоригувати задній фронт пиловидної напруги тривалістю менше 1 мкс. Для виключення впливу слідуючи елементів на процес формування пиловидної напруги на виході генератора включимо повторював на ОП типу LF253.
Згідно ТЗ, амплітуда вихідного імпульсу має бути не менше 30 В на опорі навантаження 10 Ом (струм в навантаженні більше, або дорівнює 1,5А), а также враховуючи той факт, що мінімальна тривалість імпульсу складає 1 мкс, застосуємо в якості відповідного каскада стоковий повторював на польовому транзисторі з ізольованим затвором. Це дасть можливість узгодити навантаження з виходом компаратора і отримати малі тривалості фронтів виходного імпульса. В якості активного елемента стокового повторювача вибираємо транзистор типу IRLL2203.